ЕМКОСТНО-КИНЕТИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК H02J15/00 

Изобретение относится к электротехнике, а более точно к системам аккумулирования электроэнергии, содержащем механические и электрические накопители энергии.

Широко известны средства для кратковременного накопления энергии: маховик (накопитель кинетической энергии), емкость (накопление энергии в электростатическом поле) и индуктивность (накопление энергии в электромагнитном поле).

Степень эффективности маховика как накопителя энергии зависит от его размеров и массы, а также от частоты его вращения и диапазона ее изменений, за счет которого и происходит накопление и отдача кинетической энергии. Но по сравнению с индуктивностью и емкостью маховики имеют плотность накапливаемой энергии в десятки-сотни раз больше и используются в электроприводах с ударной нагрузкой (прокатные станы, штампы и др.) и транспортных средствах.

С другой стороны, использование маховика в электромеханической системе возможно лишь при наличии на его валу электромашинного преобразователя энергии, что делает данный способ накопления пригодным в случае относительно малой мощности (см. например, "Rayway Gazette", September, 1976). Поэтому при малых количествах накапливаемой энергии, индуктивность и емкость как накопителя электроэнергии становятся более экономичными, чем маховик. Они включаются в силовую цепь электрической машины.

Для длительного накопления и расходования электроэнергии наиболее подходящим средством являются, как известно, химические источники тока того или иного типа, в том числе аккумуляторы.

Известны также технические решения по электромобилям с гибридным приводом, включающие в состав оборудования кинетические (маховики) и емкостные накопители электроэнергии для увеличения количества накапливаемой энергии при торможении и улучшения динамических качеств электромобиля при использовании химического источника тока в качестве первичного источника электроэнергии (см. например, Автомобильная промышленность США, 1993, N 3, стр. 3).

Использование емкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем, получившими название в России импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ). Они в наибольшей степени отвечают требованиям по плотностям энергии и мощности, предъявляемым к накопителям электроэнергии для транспортных средств.

Задачей изобретения является создание емкостно-кинетического накопителя с высокой плотностью энергии, конструктивно объединяющего конденсаторную батарею и маховик и сочетающего их достоинства.

Поставленная задача решается тем, что в емкостно-кинетическом накопителе электроэнергии, содержащем конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через муфту сцепления и механическую передачу, согласно изобретению конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости и конструктивно объединена с маховиком путем закрепления на его периферической поверхности, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.

Отличительными признаками предлагаемого емкостно-кинетического накопителя по сравнению с известными накопителями являются:
конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных ИКЭ;
ИКЭ закреплены на периферической поверхности маховика;
выводы соответствующей полярности конденсаторной батареи подключены к контактным кольцам;
каждое контактное кольцо установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в цепь электрической машины.

При этом повышается плотность аккумулированной электроэнергии (кДж/кг) за счет увеличения энергозапаса накопителя, так как суммируются количество энергии маховика и конденсаторной батареи и снижается их суммарная масса,поскольку ИКЭ с энергозапасом 40-60 кДж и более являются, как правило, материалоемкими и составляют ощутимую долю в массе оборудования транспортного средства, совмещаются с маховиком и участвуют в накоплении кинетической энергии маховиком. Подключение выводов конденсаторной батареи соответствующей полярности к контактным кольцам, установленным на валу маховика и снабженные щеточно-контактным аппаратом, позволяет осуществить включение конденсаторной батареи в цепь емкостно-кинетического накопителя с наименьшими потерями.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая и конструктивная схема емкостно-кинетического накопителя согласно изобретению; на фиг.2 вариант конструктивного объединения маховика с конденсаторной батареей согласно изобретению.

Накопитель содержит электрическую машину постоянного тока независимого возбуждения или с постоянным магнитом 1, вращающуюся с частотой вращения n₁, механическую передачу 2, муфту сцепления 3, маховик 4, на периферической поверхности которого установлены конденсаторы 50 собранные в конденсаторную батарею (на фиг.1 представлен вариант с батареей из 6 конденсаторов). На валу маховика 4, вращающегося с частотой n₁, установлено контактное кольцо 6 положительной полярности с щеточно-контактным аппаратом 9. Выводы 10 и 11 накопителя служат для его подключения в электромеханическую систему, где требуется аккумулирование электрической и кинетической энергии. Для расширения функциональных возможностей электрическая схема накопителя содержит также выключатели 12 и 13. Выводы конденсаторов 5 одноименной полярности 14 соединены шинами 15 в батарею, каждый вывод 16 которой подсоединен к соответствующему контактному кольцу 6 и 8.

Емкостно-кинетический накопитель работает следующим образом.

При подключенных к электромеханической система выводах 10 и 11 и замкнутых выключателях 12 и 13 электрическая машина 1 работает в режиме двигателя и при сопряженных с помощью механической передачи 2 и муфты 3 валах машины 1 и маховика 4 раскручивает его до частоты вращения n₂, заряжая его кинетической энергией. Одновременно, при замкнутом выключателе 13, происходит заряд конденсаторной батареи от источника энергии электромеханической системы по электрической цепи через щеточно-контактный аппарата.

При изменении режима работы электромеханической системы, когда электрическая машина 1 переходит в режим генератора, происходит отдача энергии (разряд) конденсаторной батареи по той же электрической цепи как машине 1, так и электромеханической системе. Одновременно накопленная кинетическая энергия маховика преобразуется с помощью машины 1 в электрическую и возвращается электромеханической системе.

Емкостно-кинетический накопитель имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с отдельно взятыми маховиком и конденсаторной батареей. Так при разомкнутом ключе 12 или муфте 3 маховик неподвижен и функционирует в качестве накопителя только конденсаторная батарея. С другой стороны, при разомкнутом ключе 13 не функционирует в качестве накопителя конденсаторная батарея. Таким образом, в зависимости от алгоритма работы электромеханической системы возможно оптимальное (в том числе порционное) использование аккумулируемой энергии.

Предлагаемое изобретение может быть эффективно использовано в транспортных средствах с электромеханической передачей (электромобили, "жиробусы", городской транспорт, электровозы для откачки угля, маневровые суда в гаванях и др.).

Использование: в электротехнике, в системах аккумулирования электроэнергии, содержащих механические и электрические накопители энергии. Сущность изобретения: конденсаторная батарея, собранная из последовательно-параллельно включенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости, конструктивно закреплена на маховике на его периферии, выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, установленным на валу маховика и оснащенным щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины. 2 ил.

Емкостно-кинетический накопитель электроэнергии, содержащий конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через механическую передачу и муфту сцепления, отличающийся тем, что конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости и конструктивно объединена с маховиком путем закрепления на его периферической поверхности, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и оснащено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.